Методика расчета сосудов и аппаратов, работающих под давлением

На предприятиях различных отраслей промышленности ши- роко используются сосуды и аппараты, коммуникации, работаю- щие под повышенным давлением.

Сосудами называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспорти- ровки газообразных, жидких и других веществ.

Особую опасность представляют собой сосуды, находящие- ся под избыточным давлением, так как в процессе их взрыва при химическом или физическом превращении вещества выделяется огромное количество энергии. Например, при физическом взрыве, т. е. при внезапном адиабатическом расширении газов или паров, энергия сжатой среды в течение короткого промежутка времени (0,1 с) реализуется в кинетическую энергию осколков разрушен- ного сосуда и ударную волну мощностью А, Вт:

А = W / t,                                     (2.1)

где W – работа взрыва при адиабатическом расширении газа, Дж;

t – время действия взрыва, с (порядка 0,1 с).

В свою очередь работа взрыва сосуда может быть определе- на по формуле

W = VP /(m -1)[1 - (P / P) m -1/ m ],                   (2.2)

1                              2  1

где V – объем сосуда (начальный объем газа), м³; Р ₁, Р ₂ – началь- ное и конечное давления газа в сосуде, Па; m – показатель адиаба- ты (например, для воздуха m = 1,41).

m = C_Р / C_V,                                  (2.3)

где C_Р – удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг×°С); C_V – то же при постоянном объеме.

При взрывах сосудов под давлением развиваются большие мощности, которые могут приводить к значительным разрушени- ям. Так, мощность, выделяющаяся при взрыве сосуда емкостью

1 м³, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа (12 кгс/см²), при длительности взрыва 0,1 с составляет 28 МВт.

При взрыве парового котла давление резко снижается до ат- мосферного, и находящаяся в нем вода мгновенно испаряется. Объем, занимаемый этим паром, будет примерно в 700 раз больше объема испарившейся воды.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до не- скольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот мет- ров и при падении на здания, технологическое оборудование, ем- кости вызывают разрушения, новые очаги пожаров, гибель людей. В связи с особой опасностью такого оборудования их изготов- ление и эксплуатация регламентируются «Правилами устройства и

безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Эти Правила распространяются на следующие аппараты, со- суды и емкости, наиболее опасные по возможным последствиям взрывов:

а) сосуды, работающие под давлением воды с температурой выше 115°С или другой жидкости с температурой, превышающей температуру кипения, при давлении 0,07 МПа, без учета гидро- статического давления;

б) сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше

0,07 МПа;

в) баллоны, предназначенные для транспортирования и хра- нения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа;

г) цистерны и бочки для транспортирования и хранения сжа- тых и сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50°С превышает давление 0,07 МПа;

д) цистерны и сосуды для транспортирования и хранения сжа- тых, сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел, в которых давле- ние выше 0,07 МПа создается периодически для их опорожнения;

е) барокамеры.

Материалы, используемые для изготовления сосудов под давлением, должны обеспечивать их надежную работу в течение расчетного срока службы с учетом заданных условий эксплуата- ции (расчетные температура, давление, состав и характер среды и др.). Они выбираются в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Номинальную толщину стенки обечайки рассчитывают по одной из следующих формул:

– при номинальном наружном диаметре:

S =   pD н

2,04js_д + p

+ C;                          (2.4)

– при номинальном внутреннем диаметре:

S =   pD в

2,04js_д - p

+ C,                          (2.5)

где S – толщина стенки, мм; p – расчетное давление внутри сосуда, МПа; D _н, D _в – номинальные наружный и внутренний диаметры обе- чайки, мм; j – коэффициент прочности сварного шва: для углероди- стой, низколегированной, марганцовистой, хромомолибденовой и ау- стенитной стали j = 1; для хромомолибденованадиевой и высокохро- мистой стали j = 0,8; для углеродистой и низколегированной марган- цовистой стали – в зависимости от способа сварки: при автоматиче- ской двусторонней сварке под флюсом, контактной сварке, односто- ронней ручной и автоматической сварке под флюсом, электрошлако- вой сварке, ручной сварке в атмосфере углекислого газа и аргонодуго- вой сварке j = 0,85, при всех других видах ручной электрической и газовой сварки j = 0,8; s_д – нормальное допускаемое напряжение, МПа (табл. 2.1); С – прибавка к расчетной толщине стенки, мм: для обечаек, свариваемых из листа или кованых с последующей механи- ческой обработкой при толщине листа не более 20 мм С = 1; при тол- щине листа более 20 мм С = 0; если наибольший минусовой допуск по толщине листа превышает 3% номинальной толщины, то в прибавке С должно быть учтено это превышение.

Расчетные формулы пригодны при соблюдении следующих условий:

– для емкостей, содержащих воду, пароводяную смесь или насыщенный пар,

S  -   C   £ 0,18,

D н

или

S -   C   £ 0,28;                 (2.6)

D в

– для сосудов, содержащих перегретый пар,

S  -   C   £ 0,28,

D н

 

или

S  -   C   £ 0,64.                 (2.7)

D в

 

 

Таблица 2.1